模板潛孔式平面鋼閘門設(shè)計

1、 水利水電工程鋼結(jié)構(gòu)課程設(shè)計目錄一、設(shè)計資料及有關(guān)規(guī)定2二、閘門結(jié)構(gòu)的形式及布置2三、面板設(shè)計3四、水平次梁、頂梁和底梁地設(shè)計4五、主梁設(shè)計7六、橫隔板設(shè)計10七、縱向連接系11八、邊梁設(shè)計11九、行走支承設(shè)計13十、 軌道設(shè)計14十一、止水布置方式14十二、埋固構(gòu)件15十三、閘門啟閉力15十四、閘門的啟閉機械15一、設(shè)計資料及有關(guān)規(guī)定1、閘門形式：潛孔式平面鋼閘門2、孔口尺寸（寬高）：5.0m5.0m3、上游水位：45m4、下游水位：0m5、閘底高程：0m6、啟閉方式：電動固定式啟閉機7、材料： 鋼結(jié)構(gòu)：Q235-A.F焊條：E43型行走支承：采用滾輪支承止水橡皮：側(cè)止水和頂止水用P型橡皮，

2、底止水用條型橡皮8、制造條件：金屬結(jié)構(gòu)制造廠制造，手工電弧焊，滿足級焊縫質(zhì)量檢驗標準。9、規(guī)范：水利水電工程鋼閘門設(shè)計規(guī)范 SL 1974-2005二、閘門結(jié)構(gòu)的形式及布置1、閘門尺寸的確定閘門高度：頂止水H=0.2m，故閘門高度5.2m閘門的荷載跨度為兩止水的間距：5.0m閘門計算跨度：5+20.2=5.4(m) 設(shè)計水頭：45m 2、主梁的數(shù)目及形式 主梁是閘門的主要受力構(gòu)件，其數(shù)目主要取決于閘門的尺寸。因為閘門跨度L=5m,閘門高度h=5m,L3時，a=1.4,則t=akp(0.91.4160)=0.07akp現(xiàn)列表1計算如下：表1區(qū)格a(mm)b(mm)b/akpN/mm2kpt(mm

3、)191012301.350.5100.5440.52732.61291012301.350.4290.5540.48830.20391012301.350.4290.5640.49230.44491012301.350.4290.5730.49630.69591012301.350.4290.5830.50030.94691012301.350.4290.5930.50431.19791012301.350.4290.6030.50931.50891012301.350.4290.6130.51331.74991012301.350.4290.6220.51731.991091012301.

4、350.4290.6320.52132.241191012301.350.4290.6420.52532.491286012301.430.5390.6520.59334.68根據(jù)上表計算，選用面板厚度t=35mm2、面板與梁格的連接計算已知面板厚度t=35mm ,并且近似地取板中最大彎應(yīng)力max=160N/mm2,則面板局部擾曲時產(chǎn)生的垂直于焊縫長度方向的橫向拉力P為：P=0.07tmax =0.0735160=392(N/mm )面板與主梁連接焊縫方向單位長度內(nèi)的剪力：T=VS2Io=4184600426352240244429130000=1573(N/mm)面板與主梁連接的焊縫厚度：

5、hf=P2+T20.7t=3922+15732(0.7113)=20.5(mm) 角焊縫最小厚度：hf1.5t=1.535=8.9(mm)面板與梁格連接焊縫厚度取起最小厚度hf=21mm四、水平次梁，頂梁和底梁地設(shè)計1、荷載與內(nèi)力驗算水平次梁和頂、底梁都是支承在橫隔板上的連續(xù)梁，作用在它們上面的水壓力可按下式計算，即q=pa上+a下2現(xiàn)列表2計算如下表2梁號梁軸線處水壓力強度P（kN/mm2）梁間距（m）a上+a下2（m）q=pa上+a下2(kN/m)1(頂梁)5390.5075273.51.0152（主梁）548.91.015557.11.0153（水平次梁）558.91.015567.31

6、.0154（主梁）568.81.015577.31.0155（水平次梁）578.81.015587.51.0156（主梁）588.71.015597.51.0157（水平次梁）598.71.015607.71.0158（主梁）608.61.015617.71.0159（水平次梁）618.61.015627.91.01510(主梁)628.51.015637.91.01511（水平次梁）638.51.015648.11.01512（主梁）648.40.990641.90.96513（底梁）657.90.4825317.4由列表計算后得q=7258.8kN/m根據(jù)上表計算，水平次梁計算荷載取648

7、.1kN/m，水平次梁為6跨連續(xù)梁，跨度為1.24m，水平次梁彎曲時的邊跨彎距為: M次中0.072ql2=0.072648.11.242=71.9(kNm)支座B處的負彎距：M次B0.106ql2=0.106648.11.24 2=105.4(kNm)2、截面選擇W=M=105.4106160=658750(mm3)考慮利用面板作為次梁截面的一部分，初選36a,由附錄三表4查得：A=6089mm2 ； Wx=659700mm3； Ix=118742000mm4； b1=96mm； d=9mm 面板參加次梁工作的有效寬度分別按下式計算，然后取其中較小值。 Bb1+60t=96+6035=219

8、6(mm) B=1b (對跨間正彎距段) B=2b （對支座負彎距段）按11號梁計算，梁間距b=b1+b22=1015+10152=1015(mm)對于第一跨中正彎距段 ：l0=0.8l=0.81240=992(mm)對于支座負彎距段：l0=0.4l0.41240496(mm) 根據(jù)l0/b查表7-1： 對于l0/b992/10150.997 得10.40，得B=1b406(mm) 對于l0/b496/10150.489 得20.16，得B=2b162.4(mm)對第一跨中選用B406mm,則水平次梁組合截面面積（如圖）:A=6089+40635=21199(mm2)組合截面形心到槽鋼中心線得

9、距離:e=40635197.521199=132(mm)跨中組合截面的慣性距及截面模量為：I次中118742000+60891322+4063565.52285801188(mm4)Wmin=285801188312=916029(mm2)對支座段選用B162.4mm，則組合截面面:A=6089+162.435=11773(mm2)組合截面形心到槽鋼中心線得距e=162.435197.511773=95(mm)支座初組合截面的慣性距及截面模量為：慣性距： I次中=118742000+6089952+162.435112.52=245633350(mm4) 截面模量：Wmin=245633350

10、265=926918(mm2) 3.水平次梁的強度驗算 由于支座B處彎距最大，而截面模量較小，故只需驗算支座B處截面的抗彎強度，即:次=M次BWmin=77.86106916029=78.4Nmm2=160(N/mm2)=M次中Wmin=105.4106926918=113.7(Nmm2)=160(Nmm2) 說明水平次梁選用36a滿足要求。 軋成梁的剪應(yīng)力一般很小，可不必驗算。4.水平次梁的撓度驗算受均布荷載的等跨連續(xù)梁，最大撓度發(fā)生在便跨，由于水平次梁在B支座處截面的彎距已經(jīng)求得M次B=71.86kNm,則邊跨撓度可近似地按下式計算：l=5384ql3EI次-M次Bl16EI次 =5648

11、.1124033842.06105285801188-71.8610161240162.06105285801188 =0.000179l=1250=0.004故水平次梁選用36a度和剛度要求。五、主梁設(shè)計（一）設(shè)計資料（1）主梁跨度：凈跨（孔口凈寬）L07.0m ；計算跨度L7.44m；荷載跨度L1=7m；（2）主梁荷載：q=(9.855+9.867)12(26)=1195.6(kN/m) （3）橫向隔板間距：1.24m （4）主梁容許撓度：W=L/600 （二） 主梁設(shè)計1、截面選擇（1）彎距和剪力。彎距與剪力計算如下：彎距：Mmin=1195.6727.442-74=8243.7(kN/

12、m)剪力：Vmax=qL12=121195.67=4184.6(kN)（2）需要的截面抵抗距：已知Q235鋼的容許應(yīng)力=160N/mm2，考慮鋼閘門自重引起附加應(yīng)力的影響，取容許應(yīng)力=0.9160=144N/mm2 則需要的截面抵抗矩為：W=Mmax=8243.71001440.1=57247.9(cm3)（3）腹板高度選擇：按剛度要求的最小梁高（變截面梁）為：hmin=0.960.23LEL=0.960.231441027.441022.06107(1600)=70.3(cm)經(jīng)濟梁高：hec=3.1W25=3.157247.925=248(cm) 由于鋼閘門中的橫向隔板重量將隨主梁增高而增

13、加，故主梁高度宜選得比hec為小，但不小于hmin?，F(xiàn)選用腹板厚度h0240cm 。（4）腹板厚度選擇tw=h11=24011=1.4(cm) 選用tw4cm（5）翼緣截面選擇：每個翼緣需要截面為A1=Wh0-twh06=57247.9240-42406=78.5(cm2)下翼緣采用 t1=2cm（符合鋼板規(guī)格）需要b1=A1t1=78.52=39(cm)，選用b1=60cm（在h/2.5h/5=9648之間）。 上翼緣的部分截面積可利用面板，故只需設(shè)置較小的翼緣板同面板相連，選用t12cm， b114cm， 面板兼作主梁上翼緣的有效高度為Bb1+6014+603.5224(cm) 上翼緣截面

14、面積A1=142.0+2243.5=812(cm2 ) (6)彎應(yīng)力強度驗算截面形心距：y1=AyA=1515581892=80.1(cm)截面慣性距：I=twh0312+Ay2=4240312+10274177=14882177(cm4)截面抵抗距： 上翼緣頂邊Wmax=Iy1=1488217780.1=185795(cm3) 下翼緣底邊Wmin=Iy24=88902(cm3) 彎應(yīng)力：=MmaxWmin=8243.710088902=9.30.9=0.916=14.4(kN/cm2) 表3部位截面尺寸（cmcm）截面面積A(cm2)各型心離面板表面距離y（cm）

15、Ay（cm3）各型心離中和軸距離y=y-y1(cm)Ay2(cm4)面板部分2243.57841.751372-78.354812758上翼緣142284.5126-75.6160030腹板2404960125.512048045.41978714下翼緣602120246.529580166.43322675合計189215155810274177（7）因主梁上翼緣直接同面板相連，可不必驗算整體穩(wěn)定性，因梁高大于按高度要求的最小梁高，故梁的撓度也不必驗算。2、截面改變因主梁跨度較大，為減小門槽寬度與支承邊梁高度（節(jié)約鋼材），有必要將主梁承端腹板高度減小為h0s=0.6h0=144cm。梁高開始

16、改變的位置取在鄰近支承端的橫向隔板下翼緣的外側(cè)，離開支承端的距離為12410=114cm考慮到主梁端部腹板及翼緣相焊接，故可按工字截面梁驗算應(yīng)力剪力強度。尺寸表4所示：表4部位截面尺寸（cmcm）截面面積A(cm2)各型心離面板表面距離y（cm）Ay（cm3）各型心離中和軸距離y=y-y1(cm)Ay2(cm4)面板部分2243.57841.751372-40.851308278上翼緣142284.5126-38.140645腹板144457677.54464043.9701573下翼緣602120150.518060107.91397089合計1508641983447585截面形心距：y1

17、=641981508=42.6(cm)截面慣性距：I0=3.5144312+3447585=4442913(cm4)截面下半部對中和軸的面積距：S=120107.9+106.9242=35803(cm3)剪應(yīng)力：=VmaxSI0t=4184.63580344429134=8.4(kN/cm2)=9.5kN/cm23、翼緣焊縫翼緣焊縫厚度hf按受力最大的支承端截面計算。Vmax4184.6kN。I0=4442913cm4，上翼緣對中和軸的面積距：S1=78440.852838.1=33093(cm3)下翼緣對中和軸的面積距：S2=120107.912948(cm3)S1需要hf=VS11.4I0

18、f=4184.6330931.4444291311.3=2cm=20(mm)角焊縫最小厚度hf1.5t=1.540=9.5(mm)全梁的上下翼緣焊縫都采用hf21mm 。4、腹板的加勁肋加勁肋的布置：因h0t=2404=6080，故不需要設(shè)置橫向加勁肋。5、面板局部彎曲與主梁整體彎曲的折算應(yīng)力的驗算取面板區(qū)格12驗算其長邊中點的折算應(yīng)力計算 my=kpa2t2=0.5390.6528602352=212(N/mm2)mx=my=0.3212=63.6(N/mm2)面板區(qū)格12的長邊中點的主梁彎矩和彎應(yīng)力M=1195.63.53.1-1195.62.922=7944.8(kNm)0x=MW=79

19、44.8106185.8106=42.8(kN/mm2)該區(qū)格長邊中點的折算應(yīng)力zh=my2+mx+0x2-mymx+0x =2122+(63.6-42.8)2-212(63.6-42.8)=202Nmm2=1.55160=248(N/mm2) 故面板厚度選用35mm滿足強度要求 。6、 橫隔板設(shè)計1、荷載和內(nèi)力計算橫隔板同時兼作豎直次粱，主要承受水平次粱、底梁和頂梁傳來的集中荷載以及面板傳來的分布荷載，則每片橫隔板在上懸臂的最大負彎矩為：M=(9.855+9.856.015)1.01521.241.0152=347.5(kNm)2、橫隔板和截面選擇和強度驗算腹板選用與主梁腹板同高，采用240

20、0mm20mm，上翼緣利用面板，下翼緣采用200mm10mm的扁鋼，上翼緣可利用面板的寬度公式按式B2b確定其中b=1240mm,按l0/b=21.015/1.24=1.64,查表得20.46 ，則B=0.461240=570mm，取B570mm 。計算如下圖所示截面幾何特性。截面型心到腹板中心線距離e=570351222.5-200101222.557035+240020+20010=313(mm)截面慣性距：I=202400312+2024003132+1020015182+35570904.52=4.8672658991010(mm4)截面模量：Wmin=4.86726589910101

21、523=31958410(mm3)驗算應(yīng)力：=MWmin=347.510631958410=10.8Nmm2由于橫隔板截面高度較大，剪切強度更不必驗算，橫隔板翼緣焊縫采用最小焊縫厚度 hf=1.520=6.7(mm)，選取hf8mm。七、縱向連接系 1、荷載和內(nèi)力計算縱向連接系承受閘門自重。潛孔式平面鋼閘門門葉自重按下式計算G=0.073K1K2K3A0.93Hs0.799.8=0.07311095(712)0.93670.799.8=1160(kN)則下游縱向連接系承受0.4G=464KN縱向連接系視作平面簡支桁架，其結(jié)點荷載為4646=77.33(kN)2、斜桿截面計算 斜桿承受的最大的拉

22、力為305KN，同時考慮閘門偶然扭矩時可能造成的壓力，故細 長比的限制應(yīng)該與壓桿相同。即=150 選用單角鋼L11012，由附錄三表2查得： 截面面積A=25.2cm2 回轉(zhuǎn)半徑iy0 =21.5cm 斜桿計算長度l0=0.91.0152+1.242+0.42=1.49(m)長細比 =l0iy0=1.4910321.5=69.3=150 驗算拉桿強度=3051032520=121Nmm20.85=133Nmm2八、邊梁設(shè)計由于深孔大孔口，行走支承采用滾輪式。所以這里用雙腹式組合邊梁。邊梁的截面尺寸按構(gòu)造要求確定，梁高1460mm，上翼緣直接采用面板，下翼緣用150mm20mm的扁鋼做成。腹板厚

23、度40mm。邊梁是閘門的重要受力構(gòu)件，由于受力情況復(fù)雜，做設(shè)計時將容許應(yīng)力值降低20%作為考慮受扭影響的安全儲備。1、 荷載和內(nèi)力計算 滾輪采用等荷載布置，在每個邊梁上分別布置6個大小相等的主輪。每個主輪位于主梁后面。每個主輪受力為2092.3kN。具體計算根據(jù)結(jié)構(gòu)力學(xué)求解器。最大彎矩Mmax=2092.3kN/m最大剪力Vmax=4184.6kN最大軸向力為作用在邊梁上的一個起吊力，估為2300kN在最大彎矩作用截面上軸向力為：N=2300-4184.60.1=1881.5kN2、邊梁強度驗算截面面積A=49035+150202+4014602=140020(mm2)y1=700mm上半部分

24、對中和軸的面積矩S1=35490(700-17.5)+40(700-35)2=29393875(mm3)下半部分對中和軸的面積矩S2=2150201490-700+10+2(1490-700)2402 =30111000mm3截面慣性距： I=3.311761010(mm4)截面模量：W=I432=3.311761010432=76661049(mm3)截面邊緣最大應(yīng)力驗算： =NA+MmaxW=1881.5103140020+2092.310676661049 =13.4+27.3=40.7Nmm20.8=0.8157=126(N/mm2)腹板最大剪應(yīng)力驗算： =VmaxSmaxIt=418

25、94.61032301110003.31176101040 =9.5Nmm20.8=0.895=76(N/mm2) 均滿足強度要求九、行走支承設(shè)計采用滑動式滾輪支承，軸孔采用滑動軸承，輪徑D=900mm,寬度b=150mm,輪軸直徑d=200mm,軸套工作長度b1=250mm，；輪子材料用ZG35GrlMo.滾輪驗算圓柱形滾輪與平面軌道接觸應(yīng)力： max=0.418PlEbR=2093002.06105150450 =1056Nmm23fy=3390=1170Nmm2Pl：一個輪子的計算壓力，N ；b、R：輪緣寬度和輪半徑，mm；E：材料的彈性模量，N/mm2；fy：屈服強度，N/mm2。軸和

26、軸套間接觸應(yīng)力：cg=Pldb1=2092300250200=41.8Nmm2cg=50Nmm2d：軸的直徑，mm；b1：軸套的工作長度，mm；cg：滑動軸套的容許應(yīng)力，N/mm2。輪軸與軸承板間局部承壓應(yīng)力cj=Ndt=104600020080=65Nmm2cj=80Nmm2N：軸承板所受的壓力（N=Pl/2），N；t：軸承板疊總厚度，mm；cj：容許應(yīng)力，N/mm2。以上計算均滿足強度要求。十、軌道設(shè)計滾輪荷載R=2092.3kN, 混凝土為C25,其h=9N/mm。軌道材料為35Mn2,軌道選I56c,由附錄三表4查得：Wx=2551400mm3； Ix=714300000mm4； b=

27、170mm； tw=16.5mm ；h=560mm1、軌道底板混凝土承壓應(yīng)力：a=3.33EIxEhb=3.3320600071430000030000170=17725(mm)h=Pab=209230017725170=0.7Nmm2h=9Nmm2 2、軌道局部承壓應(yīng)力：a1=3.33Ixtfb=3.3381840016.5=1158.7(mm)cd=Pa1tfb=20923001158.716.5=109.4Nmm2cd=150Nmm2 故滿足要求。十一、止水布置方式側(cè)向止水采用P型橡皮，頂止水采用P型橡皮，底止水采用條形橡皮，布置方式如圖十二、埋固構(gòu)件門槽的埋固構(gòu)件主要有：行走支承的軌道

28、、與止水橡皮相接觸的型鋼、為保護門槽和孔口邊棱處的混凝土免遭破壞所設(shè)置的加固角鋼等。 側(cè)止水座 底止水座 十三、閘門啟閉力閘門自重G=1160kN滾動摩擦阻力 Tzd=WfkRR1d+1=502150.1454020+1=335(kN)止水摩阻力 Tzs=2fbhp=20.650.0612559.5(kN)上托力Pt=0KN閉門力T閉=1.2TZd+Tzs-0.9G=1.2335+559.5-0.91160=29.4kNG起門力計算下吸力Px=2070.016=2.3kN則啟門力為：T啟=1.1G+1.2TZd+Tzs+Px=1.11160+1.2335+559.5+2.3=2352(kN)十

29、四、閘門的啟閉機械 由于啟門力為2352kN，選用江蘇龍城宏力液壓設(shè)備有限公司生產(chǎn)的QPKY-4500/2500-15.0型號的啟閉機。 QPKY系列平面快速閘門液壓啟閉機 QPKY系列液壓啟閉機共14種規(guī)格，適用于水利水電工程水輪發(fā)電機機組進口、調(diào)壓井下游快速事故閘門的啟閉，也可用于一般平面事故閘門啟閉，本系列液壓缸按閘門利用水柱壓力或部分加重可關(guān)閉孔口而無需投運油泵電機組的條件進行設(shè)計。型號表示方法 Q P K Y / 液壓缸支承型式或 行程（m） 啟門力（kN） 持住力（kN） 液壓傳動 快速關(guān)閉 平面閘門 啟閉機表QPKY系列快速閘門液壓啟閉機基本參數(shù)序號 參數(shù)型號持住力Fg（KN）啟門力Fq（KN）最大行程Lman（m）缸內(nèi)徑D（mm）活塞桿直徑d(mm）缸內(nèi)計算壓力Fg/ Fq（MPa）速度Vg/Vq（m/min）1QPKY-60/60-8*60608.0100509.99/9.99Vg=3.08.5Vq=0.251.02QPKY-80/80-8*80808.01106010.39/10.393QPKY-100/100-8*1001008.01256310.7/10.74QPKY-125/125-8*1251258.01407010.6/10.65QPKY-160/160-8*1601608.0160709